Naslov (srp)

Simulacije molekulske dinamike, dizajn, sinteza i in vitro ispitivanje inhibitora epigenetskih proteina kao potencijalnih antineoplastika : doktorska disertacija

Autor

Đoković, Nemanja, 1992-

Doprinosi

Nikolić, Katarina M., 1975-
Srdić Rajić, Tatjana
Petković, Miloš, 1980-
Oljačić, Slavica, 1980-

Opis (eng)

Among the epigenetic drug targets, sirtuin 2 (SIRT2) and WD repeat-containing protein 5 (WDR5)stand out as two protein targets with a great potential for the development of novel antineoplasticdrugs. Despite the excellent results in preclinical studies, none of the SIRT2 or WDR5 inhibitorshave entered clinical trials. By developing new protocols for computer-aided drug design based oninformation from large databases and/or molecular simulations, the research conducted within thisthesis aimed to establish the foundation for future development of new chemical classes of SIRT2or WDR5 inhibitors proteins as novel antineoplastic drugs.In the first phase of the research, a protocol for enhanced sampling of the binding pocket dynamicsof SIRT2 relying on metadynamics simulations was developed. By applying the developedprotocol, the existence of a cryptic pocket within the SIRT2 binding site was discovered. Byincorporating conformational states with the newly discovered cryptic pocket into the virtualscreening protocol, two new potent and selective SIRT2 inhibitors, ND18 (IC50 = 58.7 μM) andND85 (IC50 = 85.9 μM), were discovered from unexplored regions of the chemical space ofinhibitors. Further investigation of the anticancer potential of the lead compound ND18 on thebreast tumor cell line MDA-MB-231 revealed that ND18, at a concentration of 20 μM, is a noncytotoxiccompound that significantly induces cell cycle arrest at the G2/M phase and increases theexpression of E-cadherin.In the second phase of the research, quantitative structure-activity relationship (QSAR) modelswere established to assess the potency, as well as selectivity (SIRT1/3) of novel SIRT2 inhibitors.The models were trained on a large dataset of 1797 compounds using five machine learningalgorithms and four different molecular representations. The best-performing models were utilizedto create an in silico platform for designing new SIRT2 inhibitors, named SIRT2i_Predictor.Developed graphical user interface enable performing virtual screening campaigns and detailedinvestigation of structure-activity and selectivity relationships of unknown compounds.SIRT2i_Predictor is available at: https://github.com/echonemanja/SIRT2i_Predictor.In the third phase of the research, the design and synthesis of 12 new SIRT2 inhibitors wereperformed. The design process relied on the hypothesis of protein-ligand interaction of ND18, aswell as the predictions from SIRT2i_Predictor. Six of the synthesized compounds exhibitedselective inhibitory activity greater than 50% at a concentration of 100 μM, making them promisingmolecules for further studies. Among the synthesized compounds, the aryl-1,2,3-triazole derivativesstood out as a completely new group of SIRT2 inhibitors.In the fourth phase of the research, a detailed characterization of the protein-ligand interaction of acompletely new group of light-controlled peptidomimetic inhibitors of WDR5 was performed. Theprotocol for designing new representatives was established based on binding free energycalculations, while details of photoisomerization were investigated through metadynamicssimulations. Simulations revealed a previously unknown pathway of allosteric communicationwithin WDR5, which can serve as a basis for designing more effective inhibitors.In the fifth phase of the research, relying on data on the sensitivity of pancreatic tumor cell lines tobioactive compounds, a bioinformatics protocol for prediction of synergistic combinations ofhistone deacetylase inhibitors (including sirtuins) and other bioactive compounds was developed...

Opis (srp)

Među epigenetskim ciljnim mestima lekova, sirtuin 2 (SIRT2) i WD-ponavljajući domen 5 protein(WDR5) se ističu kao dva proteina sa velikim potencijalom za razvoj novih grupa antineoplastika.Uprkos činjenici da su inhibitori ova dva proteina pokazali odlične rezultate u pretkliničkimistraživanjima, nijedan od predstavnika još uvek nije ušao u fazu kliničkih ispitivanja. Razvojemnovih protokola za računarsko dizajniranje lekova kroz implementaciju informacija iz velikih bazapodataka i/ili molekulskih simulacija, kao i njihovom ekperimentalnom validacijom primenomorganskih sinteza i in vitro bioloških ispitivanja, istraživanja sprovedena u okviru ove teze imala suza cilj da postave osnovu za budući razvoj novih hemijskih grupa inhibitora navedenih epigenetskihproteina kao potencijalnih novih antineoplastika.U prvoj fazi istraživanja, razvijen je protokol za poboljšano uzorkovanje dinamike vezivnog mestaSIRT2 koji se oslanja na kombinaciju simulacija molekulske dinamike i metadinamičkih simulacija.Primenom razvijenog protokola simulacija, otkriveno je postojanje skrivenog džepa unutarvezivnog mesta SIRT2. Implementacijom konformacionih stanja sa novootkrivenim skrivenimdžepom u protokol virtuelnog skrininga, iz do sada neistraženih delova hemijskog prostorainhibitora izdvojena su dva nova potentna i selektivna SIRT2 inhibitora ND18 (IC50 = 58,7 μM) iND85 (IC50 = 85,9 μM). Daljim ispitivanjem antitumorskog potencijala hit jedinjenja ND18 naćelijskoj liniji adenokarcinoma dojke MDA-MB-231, ND18 je okarakterisano kao necitotoksičnojedinjenje koji indukuje zaustavljanje ćelija u G2/M fazi ćelijskog ciklusa i povećava ekspresiju Ekadherina.U drugoj fazi istraživanja, uspostavljeni su kvantitativni modeli odnosa strukture i aktivnosti,odnosno selektivnost (SIRT1/3) SIRT2 inhibitora. Modeli su trenirani na velikom setu podataka odukupno 1797 jedinjenja, primenom pet vodećih algoritama mašinskog učenja i četiri različitamolekulska prikaza. Najbolji modeli su upotrebljeni za kreiranje in silico platforme za dizajn novihSIRT2 inhibitora, nazvane SIRT2i_Predictor. U okviru platforme, kreiran je grafički korisničkiinterfejs uz pomoć koga je moguće efikasno izvesti virtuelni skrining i detaljno ispitati odnosestukture i aktivnosti, odnosno selektivnost nepoznatih jedinjenja. SIRT2i_Predictor je dostupanputem linka: https://github.com/echonemanja/SIRT2i_Predictor.U trećoj fazi istraživanja, izveden je dizajn i sinteza 12 novih SIRT2 inhibitora. Proces dizajna seoslanjao na hipotezu o protein-ligand interakciji lead strukture ND18, kao i na predviđanjaSIRT2i_Predictor-a. Šest sintetisanih jedinjenja je pri koncentraciji od 100 μM pokazalo selektivnuinhibitornu aktivnost veću od 50% što ih čini obećavajućim molekulima za dalja istraživanja. Međusintetisanim jedinjenjima se posebno ističe klasa aril-1,2,3-triazola kao potpuno nove hemijskegrupe SIRT2 inhibitora.U četvrtoj fazi istraživanja izvedena je detaljna karakterizacija protein-ligand interakcije potpunonove grupe fotoreaktivnih peptidomimetskih inhibitora WDR5. Proračunima slobodne energijevezivanja postavljen je protokol za dizajn novih predstavnika, dok je metadinamičkim simulacijamadetaljno ispitan proces fotoizomerizacije. Dodatno, simulacijama je otkriven do sada nepoznati putalosterne komunikacije unutar WDR5 koji može poslužiti kao osnova daljeg dizajna efikasnijihinhibitora...

Opis (srp)

Farmacija - Farmaceutsko-medicinska hemija i strukturna analiza / Pharmacy - chemistry and structural analysis Datum odbrane: 25.09.2023.

Jezik

srpski

Datum

2023

Licenca

Ovo delo je licencirano pod uslovima licence
Creative Commons CC BY-NC-ND 3.0 AT - Creative Commons Autorstvo - Nekomercijalno - Bez prerada 3.0 Austria License.

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/at/legalcode

Predmet

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Farmaceutska hemija

sirtuin 2, WDR5, racionalni dizajn lekova, mašinsko učenje, molekulska dinamika, metadinamika, virtuelni skrinig, antineoplastici, QSAR, bioinformatika

615:544.2(043.3)

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Farmaceutska hemija

sirtuin 2, WDR5, rational drug design, machine learning, molecular dynamics, metadynamics, virtual screening, antineoplastic, QSAR, bioinformatics